JP2006294617A - 指向性の有機発光ダイオードのための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、改善された放射出力、抽出効率および指向性を有する有機発光ダイオードを提供することである。
【解決手段】複数の有機層１１４、１１５、１１６を挟んでいる第１の金属電極１１０および第２の金属電極１２０を備えている有機発光ダイオードであって、高導電性の第２の金属電極が、これを貫通する孔１２５の格子を備えている。孔１２５は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘまたは空気で充填されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機発光ダイオードのための方法および装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）の抽出効率を向上させることによって、ＬＥＤの全体の効率が向上する。また、ＬＥＤの指向性を向上させることによって、プロジェクタのような特定の用途におけるＬＥＤの利用価値がより高まる。いくつかの異なる構成が、ＧａＡｓおよびＧａＮ ＬＥＤに関して考察されている（例えば非特許文献１〜３参照）。

有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）の分野での抽出効率の改善についても議論されており（例えば、非特許文献４参照）、その議論の内容は、参照により本出願に組み込まれている。
J. K. Hwangら、Phys. Rev. B60, 4688頁 Y. Xuら、J. Opt. Soc. Am. B16 465（1999） R. K. Leeら、J. Opt. Soc. Am B17 1438（1999） P. A. Hobsonら、Advanced Materials, 14, 19, 2002

本発明の課題は、改善された放射出力、抽出効率および指向性を有する有機発光ダイオードを提供することである。

本発明によれば、有機物の層を挟んだ２つの金属電極を使用していて、そのうちの一方が金属電極が陰極として、もう一方の金属電極が陽極として働くＯＬＥＤを提供することによって、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）の全放射出力、抽出効率および指向性を改善することができる。光は、上記２つの金属電極のうちの一方の、適切に孔が設けられている電極を通ってアウトカプリングし、これにより、高い指向性が提供される。

図１に、本発明による有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）の断面図を示す。金属電極１１０および１２０は、高導電性の金属からなっている。金属電極１１０または１２０のいずれかが陽極であって、もう一方が陰極であることを留意されたい。通常陰極として働く金属電極は低い仕事関数を有していて、電子注入のための低いエネルギーバリアを提供し、その一方で、通常陽極として働く金属電極は高い仕事関数を有していて、ホール注入のための低いエネルギーバリアを提供する。

金属電極１１０および１２０によって、有機層１１５、１１６および１１４を挟んでいる。有機層１１５、１１６および１１４は通常、約１．７５の平均屈折率を有していて、低分子または高分子（ポリマー）をベースとすることができる。金属電極１２０が陽極である場合には、層１１５は通常、例えばジアミンからなる薄い輸送層（ＨＴＬ）であり、層１１６は通常、陰極である金属電極１１０に隣接する有機電子輸送層（ＥＴＬ）である。金属電極１２０が陰極である場合には、層１１５は通常、有機電子輸送層（ＥＴＬ）であり、層１１６は通常、例えばジアミンからなる薄いホール輸送層（ＨＴＬ）である。層１１４は発光層である。本発明によれば、金属電極１２０は、孔１２５を有するパターン化された表面であり、格子、例えば図２の上面図に示す三角格子２２５を形成している。孔１２５は、空気、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘもしくは別の適切な光学的に透明な誘電体材料で充填されていてよいことを留意されたい。孔１２５を形成するために、当業者に公知の様々な方法を使用することができる。本発明によれば、孔は、例えば円形、楕円形、三角形または六角形の断面を有していてよい。本発明によれば、別の多角形の断面も使用することができる。

図３に、本発明による一態様の全放射出力（ＴＲＰ）を示す。ここに示すＴＲＰは、その態様についてのＴＲＰの比であり、金属電極を有していない極めて長い均一な有機材料における双極子のＴＲＰで除算したものである。ＴＲＰは、通常、ＯＬＥＤをモデル化するために使用される、有限差分時間領域法を用いて計算することができる。これについては、J. K. HwangらによるPhysical Review B、60、4688、1999またはH.Y. RyuらによるJounal of the Optical society of Korea、6、59、2002を参照されたい。これらの文献における開示内容は、参照により本出願に組み込まれる。計算のために、発光層１１４を、２０００の平面双極子を有する平面としてかつこれらの双極子が平面上でランダムな配向を有しているものとして近似する。平面双極子は異なる相で励起され、これにより、任意の場所および配向共振を低減する。金属電極１１０および１２０を、計算のために、損失のない完全導電体とみなす。この態様では、格子定数をａとし、有機層１１５、１１４および１１６の全厚ｔは約０．８１２５ａ、孔１２５の半径は約０．３６ａ、双極子の平面と電極１１０との距離ｔ_ｄは約０．５ａである。

図３の曲線３１０は、ａ／λ［λは自由空間波長］が０．３２６の時に、ＴＲＰがほぼ８倍に増大していることを示している。ＯＬＥＤの内部量子効率が改善されている。金属電極１１０および１２０がミラーとして機能するので、双極子の平面が、電極１１０および１２０の中間に位置している場合に、ＴＲＰの最大値が得られる。電極１１０は、本質的に完全なミラーとして機能し、電極１２０は、孔１２５があることにより不完全なミラーとして機能する。電界の最大値は通常、金属電極１１０および１２０の中央点もしくは中央点付近に位置している。

図４の曲線４１０は、本発明による一態様の、全放射出力に対する半角３０度の円錐内に放射する出力の比を示す。比の最大値は、ａ／λが約０．３１３の時に５３％で得られ、ａ／λが高くなると比は急速に低下する。ａ／λの値は、全厚ｔを有する有機層１１４、１１５および１１６において、２つの金属電極１１０および１２０の間に存在しうる最低次のモードとして予測不能ではなく、金属電極１１０および１２０において波動関数がゼロとなる境界条件が必要とされる場合には、λ_ｎ／２波長モード（半波長モード）である。λ_ｎは有機層内での光学波長である。したがって、λ_ｎ／２＝λ／２ｎ＝ｔである［ｎは、有機層１１４、１１５および１１６の平均屈折率］。ｔ＝αａ［ａは格子定数］とすれば、ａ／λ＝１／２ｎα＝０．３５となり、これは、図３および図４に示されている結果におおよそ相当する。

図５ａに、本発明による一態様の、ａ／λが約０．３１３で励起された単一水平双極子の放射パターン（指向特性）５１０を示す。放射パターン５１０は高指向性であり、放射出力は、前方の９０度の方向から±約１７度内で中央から半分に低下している。本出願では、「高指向性の」という言葉は、出力の少なくとも４０％が、半角約３０度の円錐内に放射している本発明の態様を指す。図５Ｂは、光が高導電性の金属電極を介してアウトカプリングされない場合の、ａ／λが約０．３１３で励起された単一水平双極子の放射パターンを示す。光は、半角約６０度の円錐内に放射されている。

図６に、金属電極１１０から隔置された双極子の平面についての、層１１５、１１４および１１６を合わせた厚みに対するｔ_ｄ／ａの様々な値に対応する、ａ／λの関数としての全放射出力を示す。金属電極１２０の孔１２５の半径は、ｒ＝約０．３６ａ［ａは格子定数］である。全放射出力に対する曲線６１０、６２０、６３０および６４０はそれぞれ、ｔ_ｄ／ａが０．５、０．２５、０．６８８および０．１２５である場合に相当している。ＴＲＰの最大値は、曲線６１０、６２０、６３０および６４０において、ａ／λが約０．３１３の時に得られる。０．３７５、０．４３８および０．５のｔ_ｄ／ａ値に対するＴＲＰの差は約５％より小さく、ＴＲＰはこれら３つの値に対して約８．３となっている。したがって、発光層１１４は通常、上述のように、金属電極１１０と金属電極１２０との間の中間に配置されている。

図７に、金属電極１２０に設けらかつ空気で充填された孔１２５の三角格子の、ａ／λの関数としてのＴＲＰを、図３とは別のパラメータを用いて示す。孔１２５の半径は、曲線７１０、７２０、７３０および７４０に対してそれぞれ、０．２４ａ、０．３ａ、０．３６ａおよび０．４２ａとなっている。孔１２５の半径が増加するにつれ、ＴＲＰのピークは、ａ／λの値が低い方へと移動することが明らかである。図８に、図７の構成における半角３０度の円錐内への放射の抽出比を示す。曲線８１０、８２０、８３０および８４０はそれぞれ、孔１２５の半径０．２４ａ、０．３ａ、０．３６ａおよび０．４２ａに対応している。

図９に、金属電極１２０に設けられた空気で充填された孔１２５の正方格子のＴＲＰを示す。曲線９１０は、孔１２５が約０．４ａの半径ｒを有する円である場合に、曲線９２０は、孔１２５が約０．５ａの辺を有する正方形の孔１２５である場合に対応している。図１０に、図９の構成を有する正方格子についての半角３０度の円錐内への抽出比を示す。曲線１０１０は、約０．４ａの半径ｒを有する円形孔１２５に対応しており、曲線１０２０は、約０．５ａの辺を有する正方形の孔１２５に対応している。曲線１０１０で示す円形の孔１２５を有する正方格子の抽出比は、ｒ／ａが約０．３６、０．４２である円形の孔１２５を有する三角格子の抽出比に類似している。曲線８３０、８４０および１０１０のピークは、比較的広く、通常重要な要素の１つである大きな製造可能性（製造し易さ）を示している。曲線１０２０で示す正方形の孔１２５を有する正方格子の抽出比は、図８の曲線８２０で示すｒ／ａが約０．３である円形の孔を有する三角格子の抽出比と類似している。曲線１０２０および８２０はいずれも比較的狭いピークを示し、このような狭いピークがある場合は通常、厳しい製造許容誤差が要求されるので製造がより困難となる。図９の、正方形の孔１２５を用いた場合の曲線９２０のＴＲＰは約１０であり、これは、図７に示した曲線７１０、７２０、７３０および７４０で表される構成に相当するＴＲＰと比較して約１５％以上改善されたものである。

本発明を、特定の実施態様と関連づけて説明したが、その説明に鑑みて、多くの代替、変更および変化が可能であることは当業者には明らかである。つまり、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその思想の範囲内にあるそのような全ての代替、変更および変化を包含することを意図している。

以下に、本願の特に好ましい実施態様を示す。
１．複数の有機層と、
前記複数の有機層を挟んでいる、適切にパターン化された表面を有している高導電性の第１および第２の金属電極とを備えている有機発光ダイオードであって、
高導電性の前記第２の電極が、該高導電性の第２の電極を貫通する孔の格子を有する適切にパターン化された表面を有しており、これにより、前記有機発光ダイオードが、高指向性の放射パターンで発光するように動作可能となっている、有機発光ダイオード。
２．前記孔の格子が、孔の三角格子である、上項１に記載の装置。
３．前記孔の格子が、孔の正方格子である、上項１に記載の装置。
４．前記孔の格子の孔が、正方形の断面を有している、上項１に記載の装置。
５．前記孔の格子の孔が、円形の断面を有している、上項１に記載の装置。
６．前記高の格子のの孔が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘおよび空気から選択される材料で充填されている、上項１に記載の装置。
７．前記高導電性の第２の電極が陰極である、上項１に記載の装置。
８．前記複数の有機層の１つが発光層である、上項１に記載の装置。
９．前記複数の有機層が、ジアミンからなっている、上項１に記載の装置。
１０．前記複数の有機層が、ポリマーをベースとしている、上項１に記載の装置。
１１．有機発光ダイオードのための方法であって、
複数の有機層を設け、
該複数の有機層を挟む、第１および第２の高導電性の金属電極を設け、
前記第２の高導電性の金属電極が、該第２の高導電性の電極を貫通する高の格子を備えている適切にパターン化された表面を有しており、これにより、前記有機発光ダイオードが、高指向性の放射パターンで発光するように動作可能となっている、方法。
１２．前記孔の格子が、孔の三角格子である、上項１１に記載の方法。
１３．前記孔の格子が、孔の正方格子である、上項１１に記載の方法。
１４．前記孔の格子が、正方形の断面を有している、上項１１に記載の方法。
１５．前記孔の格子が、円形の断面を有している、上項１１に記載の方法。
１６．前記孔の格子が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘおよび空気から選択される材料で充填されている、上項１に記載の方法。
１７．前記第２の高導電性の電極が陰極である、上項１１に記載の方法。
１８．前記複数の有機層の１つが発光層である、上項１１に記載の方法。
１９．前記複数の有機層の１つがジアミンからなっている、上項１１に記載の方法。
２０．前記複数の有機層の１つがポリマーをベースとしている、上項１１に記載の方法。

本発明による一態様の有機発光ダイオードを示す図である。 本発明によるパターン化された電極を示す図である。 本発明による一態様の全放射出力とａ／λとの関係を示す図である。 本発明による一態様の抽出比とａ／λとの関係を示す図である。 本発明による単一水平双極子の放射パターンである。 高導電性の金属電極を通して光がアウトカプリングされる、従来の単一水平双極子の放射パターンである。 本発明による実施態様の全放射出力とａ／λとｎ関係を示す図である。 本発明による実施態様の全放射出力とａ／λとの関係を示す図である。 本発明による実施態様の抽出比とａ／λとの関係を示す図である。 本発明による実施態様の全放射出力とａ／λとの関係を示す図である。 本発明による実施態様の抽出比とａ／λとの関係を示す図である。

符号の説明

１００ 有機発光ダイオード
１１０、１２０ 金属電極
１１４、１１５、１１６ 有機層
１２５ 孔
２２５ 格子

Claims (10)

1. 複数の有機層（１１４、１１５、１１６）と、
   前記複数の有機層（１１４、１１５、１１６）を挟んでいる第１の金属電極（１１０）および第２の金属電極（１２０）とを備えている有機発光ダイオード（１００）であって、
   高導電性の前記第２の金属電極（１２０）が、該高導電性の第２の電極（１２０）を貫通する孔（１２５）の格子を有している適切にパターン化された表面を有しており、これにより、前記有機発光ダイオード（１００）が、高指向性の放射パターンで発光するように動作可能となっている、有機発光ダイオード（１００）。
2. 前記孔（１２５）の格子が、孔の三角格子（２２５）である、請求項１に記載の装置。
3. 前記孔（１２５）の格子が、孔の正方格子である、請求項１に記載の装置。
4. 前記孔（１２５）の格子の孔が、正方形の断面を有している、請求項１に記載の装置。
5. 前記孔（１２５）の格子の孔が、円形の断面を有している、請求項１に記載の装置。
6. 前記孔（１２５）の格子のの孔（１２５）が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘおよび空気から選択される材料で充填されている、請求項１に記載の装置。
7. 前記高導電性の第２の電極（１２０）が陰極である、請求項１に記載の装置。
8. 前記複数の有機層（１１４、１１５、１１６）の１つ（例えば１１４）が発光層である、請求項１に記載の装置。
9. 前記複数の有機層（１１４、１１５、１１６）がジアミンからなっている、請求項１に記載の装置。
10. 前記複数の有機層（１１４、１１５、１１６）がポリマーをベースとしている、請求項１に記載の装置。

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